生命的暂停键?科学家首次在小鼠大脑中找到“冬眠开关”

发布时间:2020-06-15 10:57:01
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  童话故事中,睡美人沉睡100年,时间停滞,容颜不老;科幻电影中,宇航员在漫长的星际旅行时,静静躺在休眠舱里,穿越浩瀚太空。

  尽管这些是人们幻想中的情形,根据科学家们最新的一组发现,按下“生命暂停键”的想法离现实或许没有那么遥远。

  近日,顶尖学术期刊《自然》在线发表了两篇研究论文,来自美国哈佛医学院和日本筑波大学的两支研究团队,“背靠背”在小鼠的大脑中找到一群特殊的神经细胞,对体温控制起着关键作用。人为激活这些神经细胞,可以触发小鼠进入类似冬眠的状态,让体温和能量消耗都大大降低。并且,动物从这种状态恢复后,没有出现组织器官和行为异常。研究人员希望,基于这一发现,可以在人类身上实现“人工冬眠”。


▲《自然》刊发的评论认为,这两项研究刷新了我们对体温调节的认识

  大自然中,蛙、蛇、熊等动物可以在严酷的冬天、食物短缺的季节或是其他极端条件下,通过冬眠行为(季节性休眠)生存下来。与日常的睡眠不同,冬眠涉及全身生理变化,心跳减慢、呼吸变弱,耗氧量更少,体温还会显著下降。

  为什么有的动物会冬眠、有的动物不冬眠?这个问题不仅让五六岁小孩子好奇,也激发了很多科学家为之探索。


 
  研究人员指出,冬眠研究困难的一个原因是,常用的实验动物小鼠、大鼠并不冬眠。不过,哈佛医学院Michael Greenberg教授带领的研究团队注意到,小鼠在食物匮乏、周围又冷时,会进入一种短暂的麻木萎靡(torpor)状态。在环境温度低至22℃时,24小时饿肚子的小鼠核心体温会降低,代谢率和身体活动也显著下降,相比之下,吃饱的小鼠能够保持正常体温。

  研究小组利用神经元活性的生物标记物,在小鼠的脑中寻找那些在进入麻木状态时会被激活的神经元。


▲寻找并确认在麻木状态时会被激活的神经元

▲寻找并确认在麻木状态时会被激活的神经元
  在此过程中,他们把搜寻范围集中在了下丘脑,也就是负责体温调节、饥饿、干渴、激素分泌等功能的脑区。研究人员在下丘脑的数百个不同区域,一一确认哪些区域的神经元在被激活后会引起小鼠麻木。

  艰苦搜寻之下,他们最终在下丘脑的一个特定区域(内外侧视前区),确定了一组神经元。仅仅刺激这组神经元,就能让小鼠体温迅速降低,活动大大减少;而抑制这些神经元的活性时,还可以避免饥饿小鼠进入麻木状态。研究人员继而通过单细胞RNA测序等方法,鉴定出这组神经元表达哪些标志性蛋白,比如神经递质等。


 
  另一篇研究论文中,日本筑波大学的科学家们采用不同的方法、在下丘脑的类似区域,找到了同样的“神经开关”。他们将这群神经细胞命名为Q神经元(Quiescence)。

  通过基因改造,研究人员们得以用化学物质或光照特异性地激活小鼠脑中的Q神经元。他们惊讶地发现,小鼠的核心体温下降了近10度,并且可以连续48小时呈现动物冬眠特有的状态:不吃不动,心率降低,耗氧量减少等。“当周围环境大幅度下降时,它们的机体功能保持正常,体温变得更低,维持在22℃左右。”研究负责人樱井武教授说。


▲短暂激活Q神经元后,小鼠的核心体温从37℃降低到24℃

  “更令我们意外的是,在既不冬眠也没有日常麻木萎靡(torpor)的大鼠身上,激活Q神经元也会触发与小鼠类似的冬眠状态。”第一作者高桥彻说,“尽管我们还不知道确切的答案,但人类也有可能具备Q神经元,可以触发类似的状态。“

  下一步,人类也能“一键休眠”吗?“现在说我们是否可以在人身上诱发同样的状态还为时尚早,但这是一个值得探索的目标。”Greenberg教授说道。


▲我们的征途是星辰大海(图片来源:Pixabay)

  谈到“人工冬眠”的未来应用,两支科研团队都展开了诸多设想,例如可以在临床手术中代替麻醉;发生中风或外伤后,放慢代谢过程,避免大脑进一步受损;用来延长寿命;甚至把幻想变成现实,为人类的火星之旅、太空探索提供帮助。

  “当我们设想人类也可以出现类似冬眠的状态时,想象力变得越来越疯狂。”研究作者之一、哈佛医学院的Sinisa Hrvatin博士说。

来源:学术经纬